普速铁路再用轨使用条件研究
时间：2023-02-28 18:20:07 来源：千叶帆 本文已影响人
田常海 刘佳朋 石彤 杜涵秋 张金 俞喆
中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081
近年来，我国每年新建和大修铁路用钢轨数量约为300万t，其中大修钢轨达80万t。为提高全寿命周期内钢轨应用效益，再用轨的使用日益引起关注。再用轨分为整形整修轨（简称整修轨）、一般再用轨、不整修轨。国外20世纪50年代开始进行旧轨整修，经整修的再用轨进行二次甚至三次使用。20世纪90年代，国内钢轨市场价格由1 600元/t涨到4 000元/t，导致线路大修资金短缺，加之钢轨供应紧张，我国开始引进旧轨整修设备，进行了旧轨整修的工艺技术和使用经济性研究［1-2］。整修轨和一般再用轨的使用，缓解了钢轨紧张的局面。在研究再用轨整修技术、总结使用经验基础上，中国铁路总公司发布了Q/CR 407—2018《铁路旧轨使用和整修技术条件》，规定60 kg/m再用轨可铺设在年通过总质量50 Mt以下线路。
20世纪90年代至今，国内钢轨价格从4 000元/t涨到接近5 000元/t，涨幅远小于同期全国居民消费价格指数（Consumer Price Index，CPI）。随着钢轨生产厂家的增加和产量的提高，钢轨处于供过于求的状态。部分铁路局停止了旧轨整形整修，不整修轨和一般再用轨在再用轨中占比较高。考虑到钢轨价格和产能及整修情况都发生了变化，本文从伤损和经济两方面重新研究不同年通过总质量线路再用轨和新轨的使用经济性，完善再用轨使用条件，为再用轨和新轨使用提供决策依据。
我国干线钢轨上道后累计通过总质量700 Mt及以上时下道。根据正线、站线等线路的需求，挑选来自Ⅰ级或Ⅱ级线路的下道钢轨，分三种情况使用和处理［3-4］：①符合再用轨使用分类的一级或二级再用轨，加工成长轨条铺设到线路正线或到发线上；
②符合再用轨使用分类的三级再用轨，将铝热焊焊接接头切除后铺设到站线上；
③符合再用轨使用分类的四级再用轨，铺设到其他站线或按废轨处理。
为探究再用轨和新轨每千米钢轨重伤量（重伤率）是否与线路级别、养护维修条件有关，选择条件基本相同的皖赣铁路下行K0+000—K56+700、上行K0+777—K33+978区段进行再用轨和新轨伤损统计。皖赣铁路再用轨和新轨使用情况见表1。
表1 皖赣铁路再用轨和新轨使用情况
为比较不同级别线路铺设再用轨和新轨重伤率的差异，选取京沪铁路钢轨重伤数据［5-6］，以线路长度为权进行钢轨重伤率统计，并与皖赣铁路上下行线路进行对比，结果见图1。可知：①累计通过总质量MT=300 Mt时，皖赣铁路上行线整修轨每千米钢轨重伤量为3.00处；
MT=300、400 Mt时，皖赣铁路下行线新轨每千米钢轨重伤量分别为0.89、1.09处，京沪铁路分别为1.24、1.62处。②MT=300 Mt时，对于条件基本相同的皖赣铁路上下行线路，整修轨重伤率是新轨的3.4倍，皖赣铁路新轨重伤率低于京沪铁路。
图1 皖赣铁路和京沪铁路钢轨重伤率对比
在线路级别和养护维修条件基本相同的情况下，新轨和再用轨重伤率不同，导致重伤钢轨的抢修费有较大差异，且铺设新轨和再用轨的初始投入费用也存在较大差异。除重伤钢轨抢修费外，新轨和再用轨运营后的检查、维护等费用基本相同。因此，进行不同年通过总质量线路铺设新轨和再用轨经济性分析时只考虑初始投入和重伤轨抢修费。
文献［7］应用费用现值比较法、费用年值比较法等对片区生活污水收集管网各备选方案的全生命周期总费用现值进行对比分析。文献［8-9］考虑了通货膨胀和利率对项目投资的影响。文献［10］比较了现值法、费用比较法、终值法等评价设备更新经济性的方法。分析投入和维修的经济性时，需要考虑通货膨胀率和名义利率。在新轨使用周期内，采用实际利率比较新轨和再用轨从铺设至下道的投入终值，即可对比新轨和再用轨使用的经济性。
实际利率i的计算式为
式中：r为名义利率；
f为平均通货膨胀率。
新钢轨使用n年后下道作为再用轨使用，新轨残值终值Cn即为再用轨价格初值C0。新轨使用期后终值Dx和再用轨使用期后终值Dz分别为
式中：D0、Dp分别为新轨大修费初值、再用轨铺设费初值；
Lx、Lz分别为整个使用周期内的新轨大修费初值、再用轨铺设费初值的利息；
Qx、Qz分别为新轨、再用轨重伤处理费（重伤处理费利息按通过总质量中间值计算）；
T为新轨使用总年数；
Sx、Sz分别为新轨、再用轨的每千米重伤量；
F0为每处重伤修理费初值；
Cv为钢轨使用周期损失率；
Cz为再用轨剩余残值终值；
m为对应新轨使用总年数的更换再用轨次数；
j=1，2，…，m。
比较Dx和Dz的大小，如果Dx较小，则表明铺设新轨更经济；
如果Dz较小，则表明铺设再用轨更经济。
根据2011—2015年对上海局、北京局、太原局等的调研结果，新轨使用30年后残值C30约24万元/km。新轨价格按0.5万元/t计算，换算后为60万元/km，则钢轨残值折价率为24/60=0.4。按钢轨折价率0.4计算，则新钢轨使用10、15、20年后的残值C10、C15和C20分别为48、42、36万元/km。1990—2015年名义利率平均值为4.44%，通货膨胀率平均值为4.40%，实际利率平均值为0.14%，波动范围为-10.57%～6.07%。
根据京沪铁路新轨及皖赣铁路、符夹铁路再用轨伤损统计结果［5-6］，得到MT=300～1200 Mt新轨重伤率以及MT=150、300 Mt再用轨重伤率R150、R300。对于再用轨，累计通过总质量为300 Mt的k倍（k为整数）时，重伤率取kR300；
MT=750 Mt时，重伤率取2R300+R150。不同累计通过总质量下新轨和再用轨重伤率见表2。
表2 不同累计通过总质量下新轨和再用轨重伤率
对上海局、北京局、太原局等钢轨使用情况进行调查，结果表明重伤钢轨处理费F0约为3万元/km。对上海局2011—2015年铺设新轨和再用轨的人工费、材料费、机械使用费、勘探设计费等进行统计，可得新轨及再用轨的铺设费初值，见表3。设定钢轨使用周期损失率Cv=5%。
表3 新轨及再用轨的铺设费初值 万元/km
由各路局再用轨实际使用情况的调研结果可知，60 kg/m再用轨铺设在年通过总质量MY≤50 Mt或MY≤15 Mt的线路上。对于MY=40 Mt的线路，铺设新轨使用30年，则MT=1 200 Mt；
若铺设再用轨，按使用寿命为MT=300 Mt［6］计算，需要更换再用轨4次。依据新轨及再用轨铺设费初值（参见表3）并考虑再用轨价格初值，初步分析可知使用新轨更经济。对于MY≤20 Mt的线路，铺设新轨使用30年，则MT≤600 Mt，远没有达到钢轨大修周期累计通过总质量1 000 Mt；
若铺设再用轨，需要更换1～2次，初步分析可知使用再用轨更经济。
干线钢轨使用25年后作为再用轨铺设到正线上是较少见的情况。干线钢轨铺设10、15、20年后每千米价格分别为48、36、30万元。根据式（2）、式（3），得到不同年通过总质量线路的新轨和再用轨（整修轨和一般再用轨）使用经济性分析模型计算结果，见表4。
表4 新轨和再用轨使用经济性分析模型计算结果
由表4可知：①年通过总质量40 Mt的线路铺设新轨更经济；
②一般情况下，年通过总质量30 Mt的线路铺设新轨更经济，只有在通货膨胀极高、i≤-8.70%时铺设一般再用轨经济；
③对于年通过总质量25 Mt的线路，i＞0.70%时铺设一般再用轨经济；
i≤0.35%时铺设新轨更经济；
④年通过总质量20 Mt的线路铺设一般再用轨更经济；
⑤铺设一般再用轨的经济性好于整修轨。
根据统计结果，1990—2015年实际利率平均值为0.14%。统计的25年中，i＞0.35%的达到15年，占统计年份的60%；
i＞0.70%的达到13年，占统计年份的52%；
只有1年的i≤-8.70%，占统计年份的4%。因此，年通过总质量25 Mt的线路铺设新轨经济的概率更高，但二者经济性相差不大；
年通过总质量30 Mt线路铺设新轨更经济。
由于线路年通过总质量随线路里程变化，提出再用轨使用条件为：年通过总质量20 Mt及以下线路可铺设再用轨，在钢轨紧缺情况下年通过总质量30 Mt以下线路可铺设再用轨。
根据TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》，25 Mt≤MY＜50 Mt线路钢轨探伤周期为7次/年；
再用轨使用寿命按累计通过总质量300 Mt计算时，使用条件由年通过总质量50 Mt以下降到30 Mt以下，探伤次数由不少于42次提高到不少于70次，约提高67%，有利于及时检出再用轨伤损，提高再用轨使用的安全性。
1）累计通过总质量300 Mt下，线路级别和养护维修条件基本相同的皖赣铁路上下行线路，整修轨重伤率是新轨的3.4倍，皖赣铁路钢轨重伤率偏高与铺设再用轨有关。
2）年通过总质量30 Mt及以上线路铺设新轨更经济；
年通过总质量20 Mt线路铺设一般再用轨更经济；
一般情况下，年通过总质量25 Mt线路铺设新轨更经济。
3）再用轨使用条件为：年通过总质量20 Mt及以下线路可铺设再用轨，在钢轨紧缺情况下年通过总质量30 Mt以下线路可铺设再用轨。
4）再用轨使用寿命按累计通过总质量300 Mt计算时，使用条件由年通过总质量50 Mt以下降到30 Mt以下，探伤次数由不少于42次提高到不小于70次。这样有利于及时检查出再用轨伤损，提高再用轨使用的安全性。
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